ДВИЖЕНИЕ ГАЗОВ И МАТЕРИАЛОВ В ПЕЧАХ

ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ ГАЗОВ

Классификация видов движения газов

Движение газов может быть принудительным, вызванным действием вентиляторов, струйных аппаратов, и естественным — за счет разности плотностей движущихся газов. По характеру различают ламинарное и турбулентное движение. В рабочем пространстве печей газы чаще всего движутся струями в среде менее подвижных и застойных газов (струйное движение). В каналах печей газы движутся сплошными потоками (канальное движение). Газы в топках и печах часто пронизывают слой кускового или сыпучего материала и оказывают давление на кусочки материала (фильтрационное движение); такое движение газов может иметь место в плотном слое материала, в кипящем слое, во взвешенном слое. Иногда газы, несущие взвесь материала, искусственно закручивают в круглых каналах — тогда имеет место циклонное движение.

Естественное и вынужденное движение газов. Ламинарный и турбулентный характер движения.

В печах газы иногда движутся с малыми скоростями, и тогда при наличии значительных свободных объемов и больших разностей температур в различных точках этих объемов движение газов может быть естественным, однако в настоящее время большинство печей работает с принудительным движением газов. При принудительном движении газов картина их движения в рабочем пространстве печи или распределение давлений в нем при сложных конструкциях печей не могут быть определены теоретически, и поэтому прибегают к опытному изучению характера движения на моделях печей, обычно очень легко изготовляемых. Метод моделирования, развитый в нашей стране М. В. Кирпичевым и его сотрудниками, является весьма ценным вкладом в печную теплотехнику, так как позволяет проверить целесообразность конструкции до ее постройки.

Рис. 2-1. Профиль скоростей при ламинарном (а) и турбулентном (б) движении газового потока

Рис. 2-1. Профиль скоростей при ламинарном (а) и турбулентном (б) движении газового потока

Движение газов в печных каналах и полостях, вообще говоря, может идти несмешивающимися струями по траекториям, подобным форме канала; такое движение называется ламинарным. Это соответствует значению критерия Рейнольдса Re<=2300. Оно редко наблюдается в печных газоходах. При ламинарном движении перенос массы осуществляется путем молекулярной диффузии, а передача тепла — путем теплопроводности; тепло- и массообмен протекает слабо. При Re >2300 инерционные силы в потоке превалируют над силами трения настолько, что в потоке образуется множество возбужденных пересекающихся струек: масса переносится главным образом путем вихревой диффузии, а теплота - посредством конвекции. Скорость в каждой точке изменяется по величине и направлению. Такое движение называется турбулентным. При постоянном расходе газа через какое-либо сечение средняя скорость турбулентного движения в данной точке остается постоянной по величине и направлена в сторону движения. На рис. 2-1 показано значение вектора мгновенной скорости w в данной точке, являющейся геометрической суммой средней скорости w (постоянной по величине и направлению) и пульсационной скорости w', изменяющейся по величине и направлению:

Благодаря пульсационной скорости и происходит энергичный тепло- и массообмен в потоке. Если эпюра скоростей по сечению канала при ламинарном, движении изображается параболой (рис. 2-1,а), для которой отношение средней скорости по всему сечению к максимальной скорости по оси w0 будет wср/w0~0.5, то при турбулентном движении из-за выравнивающего действия пульсационных скоростей отношение wср/w0=0,75-0,84 (рис. 2-1,б). Состояние турбулентного потока характеризуется степенью турбулизации εтурб и масштабом турбулентности lтурб. Степень турбулизации может быть различной, что существенно влияет на характер движения. Степень турбулизации выражается отношением среднеквадратичной пульсационной скорости в потоке к средней скорости потока:

где w' — пульсационная скорость; wср — средняя скорость потока.

Масштабом турбулентности lтурб называется расстояние, на котором проявляется связь между пульсациями, или, иначе, расстояние, на котором пульсирующие объемы газа теряют свои скоростные особенности.